高阻抗表面型PBG結(jié)構(gòu)貼片天線的設(shè)計

周 琨,姜 興

摘 要:將高阻抗表面型光子帶隙材料用于微帶貼片天線的設(shè)計,利用其頻率帶隙抑制天線中激勵的表面波。求解輻射方向圖,并與常規(guī)微帶貼片天線相比較,證實了在表面波的影響比較顯著的情況下,光子帶隙材料的引入可以有效地抑制表面波的傳播,從而改善原有天線的性能。仿真結(jié)果表明:PBG天線的增益比原貼片天線提高了約0.53 dB。

關(guān)鍵詞:微帶貼片天線;微帶天線;光子帶隙;表面波

中圖分類號:TN82文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-092-02

Design of Patch Antennas Based on PBG Structure with High Impedance Type Surface

ZHOU Kun,JIANG Xing

(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,541004,China)

Abstract:Designing the patch antennas based on PBG structure with the high impedance type surface,this experiment uses the frequency band to inhibit the surface wave which produced by the antenna.To obtain the radiation orientation pattern,and compared with the conventional microstrip antenna patch,the article confirms that the introduction of photonic bandgap materials can effectively restrain the dissemination of surface wave when the situation is surface wave influence quite remarkable.Through this way to improve the original antenna's performance.Simulation results show that the gain of PBG antenna raised about 0.53 dB than ordinary patch antennas.

Keywords:microstrip patch antenna;microstrip antenna;photonic bandgap;surface wave

由于微帶貼片天線具有體積小、重量輕、低剖面、易加工、共形等優(yōu)點,所以在軍事和民用方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。眾所周知,集成電路的基底是一些高介電常數(shù)材料,而微帶貼片天線在低介電常數(shù)基底上才能獲得最佳性能。位于高介電常數(shù)基底的貼片天線由于表面波的損耗輻射效率很低,并且頻率帶寬極窄,當(dāng)應(yīng)用的頻率變高時這種情況更加突出,導(dǎo)致貼片天線的增益和效率下降,并且在陣列情況下還會有高的交叉極化電平和互耦電平。為了實現(xiàn)微帶貼片天線的集成化,同時避免昂貴的基底混合技術(shù),就必須在高介電常數(shù)基底上實現(xiàn)高效率的貼片天線。近年來出現(xiàn)的新型光子晶體貼片天線能夠較好地改善以高介電常數(shù)介質(zhì)為基底的貼片天線的性能。光子晶體貼片天線是指基于光子晶體的貼片天線。所謂光子晶體,或稱PBG材料,是指將高介電常數(shù)的介質(zhì)周期性的放置所產(chǎn)生的一種人工電磁晶體,該電磁晶體的表面波波矢圖在某一頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)一個頻率禁帶,簡稱禁帶。通過在貼片天線中人為的引入光子晶體結(jié)構(gòu),并利用光子晶體的禁帶效應(yīng),抑制沿基底傳播的表面波,增加天線輻射到空間的電磁波,從而改善天線的性能。本文所采用的高阻抗表面型PBG結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、帯隙性能好、可以集成等優(yōu)點,在天線的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 PBG天線設(shè)計

本文設(shè)計的矩形貼片天線,是中心頻率為10 GHz的矩形微帶天線(輻射元為矩形),饋電方式選為中心側(cè)饋。采用ROGER3010材料做為基板,厚度h=1.28 mm,相對介電常數(shù)=10.2。矩形貼片的尺寸為L×W。貼片單元的尺寸由經(jīng)驗公式計算可以得出:

W=c2frεr+12-1/2=6.34 mm

(1)

貼片寬度經(jīng)計算為6.34 mm。

εe=εr+12+εr-121+12hw-1/2=8.086 4

(2)

Δlh=0.412(εe+0.3)(w/h+0.264)(εe-0.258)(w/h+0.8)

Δl=0.512 mm

(3)

可以得到矩形貼片長度為:

L=c2frεe-2Δl=4.25 mm

(4)

利用ADS自帶的計算傳輸線的軟件LineCalc來計算傳輸線的寬度w=0.162 mm。

PBG材料的設(shè)計首先利用等效媒質(zhì)模型得到初始的參數(shù),更準(zhǔn)確的參數(shù)則通過全波數(shù)值仿真獲得。由于高阻抗表面PBG結(jié)構(gòu)的周期大小遠小于工作波長,適合用集總電路元件(電容、電感)組成的等效LC并聯(lián)諧振電路來描述其電磁特性。像電路濾波器一樣阻止沿表面?zhèn)鬏數(shù)碾娏?。如前所?蘑菇型高阻抗表面相鄰貼片間的電容效應(yīng)(介質(zhì)基片既起著支撐作用,又達到增強電容的效果),與金屬過孔的等效電感組成集中參數(shù)的并聯(lián)諧振電路。這里有高阻面的設(shè)計公式:

L=μ0t

(5)

C=w(ε0+εr)πcosh-1(a/g)

(6)

ω0=1LC

(7)

式中:εr是介質(zhì)的介電常數(shù);t是高阻面的高度;g是周期間距;w是單元邊長;a為周期。

最后得到的設(shè)計結(jié)果是,w=1.73 mm,g=0.22 mm(如圖2(b)所示)。

圖1 高阻抗型PBG結(jié)構(gòu)及其等效電路

圖2 高阻表面尺寸模型

2 建模與仿真

根據(jù)設(shè)計的PBG天線的結(jié)構(gòu),在HFSS中建模并仿真。模型圖如圖3所示,仿真得到的反射系數(shù)圖如圖4和圖5所示。

圖3 在HFSS中所建的模型

可以看到回波損耗小于-10 dB的帶寬約為600 MHz,參考天線諧振頻率為996 GHz,PBG微帶天線諧振頻率為1005 GHz。PBG天線的諧振頻率比參考天線略高,這是因為二者之間的耦合造成的。二者在999 GHz具有相同的反射系數(shù)-2128 dB,在這個頻率上仿真得到其方向圖如圖6和圖7所示?？梢钥吹絇BG結(jié)構(gòu)使方向性有所增強,天線的增益大約提高053 dB。PBG貼片天線因為表面波被抑制從而增強了主模的輻射幅度而使增益提高。

圖4 普通貼片天線的回波損耗圖

圖5 PBG天線的回波損耗圖

圖6 普通貼片天線的方向圖

圖7 PBG天線的方向圖

3 結(jié) 語

本文對高阻抗型PBG結(jié)構(gòu)的微帶天線進行了設(shè)計和仿真,求解了PBG結(jié)構(gòu)的微帶貼片天線和常規(guī)微帶貼片天線輻射方向圖。仿真結(jié)果證明,在表面波的影響比較顯著的情況下,PBG材料的引入可以有效抑制表面波的傳播,提高天線的增益,優(yōu)化天線的方向圖。證明了光子帶隙結(jié)構(gòu)確實能夠壓制表面波,提高輻射增益。得出的結(jié)論對微帶天線的計算及工程設(shè)計上有一定的意義。

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